VKM_I_Kap.7

Gemischbildung beim Ottomotor 7-3

7.1. Vergaser 7-3

7.2. Grundlagen der elektronische Einspritzung 7-6

7.3. Elektronische Saugrohreinspritzung 7-9

7.4. Elektronische Direkteinspritzung 7-12

7.5. Homogeneous Charge Compression Ignition – HCCI 7-16

7.6. Komponenten für Einspritzsysteme 7-17

7.7. Literatur und Quellen 7-37

7. Gemischbildung beim Ottomotor

Beim Ottomotor wird grundsätzlich zwischen äußerer und innerer Gemischbildung unterschieden. Dieses Attribut bezieht sich auf die Stelle der Kraftstoffzuführung – außerhalb bzw. innerhalb des Zylinders. Zu Beginn des Automobilbaus fand die Gemischbildung beim Ottomotor hauptsächlich mittels Vergaser im Ansaugtrakt statt. Aufgrund des sich entwickelnden Umweltbewusstseins und der daraus folgenden Abgasgesetzgebung wurde der Einsatz von elektronischen Systemen zur Saugrohreinspritzung notwendig. Beide Maßnahmen zur äußeren Gemischbildung wurden in modernen Ottomotoren durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, also die innere Gemischbildung, abgelöst

7.1. Vergaser

Der Vergaser wurde zu Beginn des großindustriellen Fahrzeugbaus im PKW-Bereich als Standardapplikation zur Gemischbildung bei Ottomotoren eingesetzt. Mittlerweile spielt er eine untergeordnete Rolle und wurde vollständig durch Saugrohr- und Direkteinspritzsysteme ersetzt. Im Bereich der kleineren Verbrennungskraftmaschinen für Krafträder oder Handarbeitsmaschinen findet der Vergaser aber immer noch Anwendung.

7.1.1. Prinzip des Vergasers

Die vom Motor angesaugte Luft strömt vom Luftfilter durch das Venturirohr des Vergasers. Durch die Verringerung des Querschnitts im Venturirohr wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft erhöht, was zu einem Druckabfall an der Vergaserdüse führt. Der so erzeugte Unterdruck in Bezug auf die mit Umgebungsdruck beaufschlagte Schwimmerkammer fördert den Kraftstoff über die Kalibrierdüse (Hauptdüse) in den Lufttrichter des Venturirohrs, wo er durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft in feine Tröpfchen zerstäubt wird. Seinen Namen trägt der Vergaser zu Unrecht, denn er vergast den Kraftstoff nicht, sondern zerstäubt ihn nur. Die Füllung der Schwimmerkammer mit Kraftstoff aus dem Tank erfolgt über ein vom Schwimmer betätigtes Ventil. Ziel ist die Einhaltung einer konstanten Kraftstoffspiegelhöhe.

7.1.2. Vergasergleichung

Das Kraftstoff-Luftverhältnis wird beim Vergaser, neben der Geometrie des Venturirohrs, durch die Geometrie und den Querschnitt der Hauptdüse bestimmt. Die Regelung der Gemischmenge erfolgt über die Drosselklappe (Regelung der angesaugten Luftmasse – Quantitätsregelung).

Die Vergasergleichung zeigt, dass theoretisch das Luftverhältnis unabhängig vom Luftmassenstrom ist (unter der Annahme alpha_L, alpha_B und alpha_L = nicht konst.).

In der Realität gilt jedoch:

• Die Dichte der Luft nimmt bei zunehmendem Unterdruck (deltap_L) ab.
• Das Medium ist kompressibel ->p_L = konst.
• Die Dichte des Kraftstoffes bleibt hingegen konstant, da der Kraftstoff als inkompressibel anzusehen ist. Die Durchflusszahlen L und B hängen hauptsächlich von der Reynoldszahl und damit von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Bei großen Reynoldszahlen, wie sie im Lufttrichter üblich sind (10⁴ < Re < 1,8*10⁵), ist alpha_L ungleich f(Re) und kann als konstant betrachtet werden. Bei den gebräuchlichen Brennstoffdüsen ist alpha_B = f(Re) und nimmt mit steigender Reynoldszahl zu

7.1.3. Ausgeführte Vergaser

Die Kompressibilität der Luft und die Zunahme von B führen mit steigendem Luftmassenstrom dazu, dass das Gemisch immer fetter wird. Um diese prinzipbedingte Änderung den Erfordernissen des Motors anzupassen (Lamda =1 im Leerlauf, in der Teillast und in der Volllast) und um zusätzliche Anforderungen (z.B. Beschleunigen, Schubabschaltung, Kaltstart, usw.) zu realisieren, wird der Vergaser mit einer Reihe von Zusatzeinrichtungen (mechanisch und elektronisch) versehen. Hierbei sei besonders die für die Abgasnachbehandlung notwendige Lamda-Reglung aufgeführt. Das daraus resultierende System „lektronisch geregelter Vergaser" kann zwar prinzipiell den motorischen Anforderungen genügen, weist jedoch bezüglich der Kosten keine Vorteile gegenüber der elektronischen Einspritzung auf. Der Vergaser wird deshalb heute praktisch nicht mehr in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Lediglich auf dem Motorradsektor ist er noch vertreten, aber auch hier zeichnet sich ein Übergang zu elektronischen Einspritzsystemen ab.

Der Vergaser wird deshalb in naher Zukunft nur noch bei einfachen Antriebsmotoren wie z.B. bei Rasenmähern und anderen Kleinmotoren eingesetzt werden. Vorteil hierbei ist der Betrieb des Aggregats in Stationärpunkten, auf die die optimale Auslegung eines kostengünstigen und robusten mechanischen Vergasers ohne elektronische Bauteile erfolgen kann. Als Beispiel des heutigen Stands der Technik ist in Abbildung 7-2 und Abbildung 7-3 der zurzeit noch im Einsatz befindliche Gleichdruckvergaser dargestellt

7.2. Grundlagen der elektronische Einspritzung

Im Gegensatz zur Gemischbildung mit dem Vergaser findet bei der elektronischen Einspritzung keine kontinuierliche Dosierung des Kraftstoffs zur Ansaugluft statt. Über elektronisch angesteuerte Einspritzventile (Injektoren) werden zyklisch Kraftstoffladungen in den Ansaugtrakt und/oder in den Zylinder eingespritzt. Das Kraftstoff-Luftverhältnis im Betrieb wird hierbei im Wesentlichen über die Anzahl der Einspritzungen, die Öffnungsdauer der Injektoren und den Kraftstoffdruck beeinflusst. Die Lastregelung erfolgt weiterhin über die Ladungsmenge (Quantitätsregelung bei homogenen Lambda-1-Konzepten), teilweise auch anteilig über die eingespritzte Kraftstoffmenge (Quantitätsregelung bei Schicht-Konzepten).

7.2.1. Geschichte der Einspritzung

Die Geschichte der Einspritzung reicht bis in die Anfänge des Motorenbaus zurück. Angefangen von rein mechanischen Einspritzsystemen, wurden sie über die Jahre hinweg durch die Einführung von elektronischen Einspritzsystemen zum heutigen Stand der Technik

Die Kraftstoffdosierung bei elektronischen Einspritzsystemen wird durch das Motorsteuergerät berechnet und durch die Ausgabe der Steuersignale an die Einspritzventile umgesetzt. Grundsätzlich werden zwei Strategien für die Dosierung im Motorsteuergerät implementiert: Die schnelle Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmasse für den instationären Motorbetrieb und die Regelung der Kraftstoffmasse auf Lambda bei stationärem Motorbetrieb.

Beiden Strategien gemein ist, dass sie den aktuell vorliegenden Luftmassenstrom als Eingangssignal benötigen. Dieser kann mittels Sensorik gemessen werden (vgl. Kapitel 7.6.1). Aus dem Luftmassensignal wird dann, abhängig von der Strategie, ein Kraftstoffmassenstrom berechnet. Dieser wird dann in Abhängigkeit von der Einspritzstrategie, der Anzahl der Zylinder, der Drehzahl und des Kraftstoffdrucks in eine Einspritzdauer für die Einspritzventile übersetzt. Zusammen mit dem Einspritzbeginn, der ebenfalls drehzahl- und massenstromabhängig berechnet werden kann, ergibt sich so das Einspritzsignal für die Einspritzventile.

Die Umsetzung der Einspritzsignale durch die Ventile führt dann zusammen mit dem tatsächlichen Luftmassenstrom zu einem bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dieses kann über Lambdasonden im Abgas bestimmt werden (vgl. Kapitel 7.6.7). Ziel bei Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung ist immer das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda = 1) einzuhalten. Bei direkteinspritzenden Motoren werden nach heutigem Stand der Technik ebenfalls homogene Lambda-1-Konzepte bevorzugt, es sind jedoch auch Magerkonzepte (1 < Lamda < 1,6) im Markt vertreten, die in Teilen des Kennfelds mit geschichteter Zylinderladung betrieben werden

7.2.2.1 Instationärer Motorbetrieb – Schnelle Steuerung

Bei instationärem Motorbetrieb ändern sich die motorischen Randbedingungen sehr schnell, so dass eine Regelung des Kraftstoffmassenstroms auf Lambda nicht möglich ist. Die Bestimmung der Kraftstoffmasse erfolgt deshalb aus dem gemessenen Luftmassenstromsignal und einem Kennfeld, in dem, vereinfacht ausgedrückt, der Zusammenhang zwischen Luftmassen- und Kraftstoffmassenstrom hinterlegt ist.

7.2.2.2 Stationärer Motorbetrieb – Lambda-Regelung

Bei stationärem Motorbetrieb und damit konstanten motorischen Randbedingungen findet die Bestimmung der Kraftstoffmasse aus dem Kennfeld ebenfalls statt. Hier wird jedoch zusätzlich eine Regelschleife aktiv, die den aus dem Kennfeld vorgesteuerten Wert korrigiert. Die Regelgröße hierbei ist das im Abgas gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dieses Lambda wird mit dem Lambda-Sollwert (üblicherweise Lambda = 1) verglichen und die einzuspritzende Kraftstoffmasse korrigiert.